Обоснование параметров породоразрушающего инструмента и гидравлической ударной машины для бурения скважин в горных породах

Актуальность темы

Применение погружных гидроударных машин при бурении скважин существенно улучшает показатели эффективности бурения: повышается процент выхода керна, возрастает скорость бурения, снижаются энергозатраты и стоимость, уменьшается влияние структурных особенностей геологического разреза на эффективность бурения. Гидроударники обеспечивают хорошее сохранение заданного направления скважины, что обусловлено ударным методом: разрушения породы на> забое, большой жесткостью снаряда, небольшой величиной разработки ствола скважины по диаметру и высокой механической скоростью бурения: Однакораспространенные во всем мире погружные гидроударники используют кинетическую энергию жидкости для преобразования ее в удар и являются машинами динамического типа. Они имеют высокий непроизводительный расход рабочей жидкости, приводящий к размыву стенок скважины в неустойчивых зонах слабых пород, а также низкие значенияк.п.д. и энергии удара, недостаточные для реализации эффективного бурения крепких горных пород. Улучшение этих показателей возможно путем создания принципиально новых гидроударниKOBJ, основанных на использовании потенциальной энергии рабочего тела^т.е.г гидрообъемных машин. Они обладают потенциально более высокими энергетическими параметрами и технологическими возможностями. Самым распространенным и наиболее перспективным породоразрушающим буровым. инструментом на сегодня является штыревой. Известно, что при использовании штыревого инструмента происходит значительное снижение энергоемкости процесса бурения, но при этом требуется приложение определенной энергии к штырю. Поэтому при создании высокоэффективной гидрообъемной погружной ударной машины актуальной задачей является согласование энергии удара с конструктивными параметрами бурового-инструмента. Это предполагает проведение экспериментальных исследований, направленных на определение достаточной. энергии удара, обеспечивающей объемное разрушение породы при минимальных энергозатратах, и поиск рационального расположения штырей в буровом инструменте. Целью диссертационной работы является обоснование рациональных, с позиции минимизации энергозатрат, параметров бурового инструмента и принципиальной конструктивной схемы погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом для бурения скважин в горных породах средней и высокой крепости. Идея работы заключается в применении объемного привода в погружной гидравлической ударной машине, а также расположении штыревых инденторов породоразрушающего инструмента в соответствии с условиями обеспечения* бурения с минимальной энергоемкостью. Объект исследования*- гидравлическая ударная машина с объемным приводом и геосреда при их взаимодействии. Предмет исследований — характер взаимодействия* инденторов породоразрушающего инструмента с геосредой, рабочий цикл гидравлической ударной машины. Задачи исследования: -установить закономерность изменения энергоемкости процесса разрушения горной породы от геометрических параметров вооружения штыревого породоразрушающего инструмента и разработать практические рекомендации по их использованию при проектировании инструмента- -обосновать принципиальную схему погружной гидравлической ударной машины и экспериментально определить рациональные соотношения площадей рабочих элементов машины для её работы в широком (0,5−4,0 МПа) диапазоне давлений энергоносителя- - испытать экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины в стендовых условиях, уточнить её рациональные настройкиi s * > 5 — разработать методику расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины с целью обеспечения минимальной энергоемкости процесса разрушения горной породы. Методы исследований. В работе применен комплексный подход, включающий: научный анализ и обобщение опыта в области создания гидравлических ударных машин и породоразрушающих инструментов к нимэкспериментальные исследования процесса динамического внедрения инденторов в породу и рабочего цикла погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом с применением современных методов и технических средств. Основные научные положения, выносимые на защиту: 1. При ударном взаимодействии геоматериала (мрамор, гранит) с инструментом, оснащенным разрушающими инденторами со сферической торцевой поверхностью, не зависимо от количества инденторов в группе (от 1 до 3 шт.) и расстояния между ними (15 — 25-мм) существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее объемное разрушение материала с минимальной энергоемкостью.2. Для-оценки рационального расположения породоразрушающих инденторов по торцу инструмента и энергетического воздействия на него следует использовать безразмерный энергетический критерий возникновения волн маятникового типа и квазирезонансных явлений в массиве горных пород, зона минимальных значений которого совпадает с зоной минимальной энергоемкости разрушения породного массива.3. Устойчивая работа гидравлической ударной машины с одной управляемой камерой и автономной системой её питания-разрядки на всем пути движения ударника при давлении энергоносителя в напорной магистрали в диапазоне 0,5— 4,0 МПа обеспечивается соотношением рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала (S^x.' йакр.) / (Spa3p. • Sup. x) = 1,2−1,8, при S3aKp. I? ра3р. = 4,0−5,0.Достоверность научных положений подтверждается, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований. Научная новизна диссертации: — установлены условия ударного разрушения горной породы с минимальной энергоемкостью и безразмерный энергетический критерий разрушения породного массива при бурении скважин, позволяющий оценить эффективность использования энергии удара, подведенной к забою- — установлено совпадение безразмерного энергетического критерия оценки разрушения породного массива и энергетического условия возникновения волн маятникового типа, что свидетельствует о возникновении в зоне минимальной энергоемкости разрушения породы геомеханических квазирезонансных явлений- — экспериментально доказана работоспособность гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в * системе распределения^ энергоносителя и автономной системой ее питания-разрядки на всем пути движения, ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника (и увеличение мощности машины путем сохранения площади сечения сливного тракта максимальной и постоянной на всем протяжении обратного хода ударника- — определены рациональные геометрические соотношения размеров основных элементов системы распределения-энергоносителя, оказывающие наибольшее влияние на устойчивость работы гидравлической ударной машины, и разработан метод расчета ее основных характеристик и параметров породоразрушающего инструмента, обеспечивающие бурение скважин с минимальной энергоемкостью. Личный вклад автора заключается в разработке методики и проведении экспериментального исследования особенностей процесса разрушения" горных пород при динамическом вдавливании группы, инденторов, оценке процесса разрушения с точки зрения-нелинейной геомеханикив обработке и интерпретации экспериментальных данныхв разработке конструкции погружной гидравлической ударной машины. Практическая ценность работы: — разработана методика расчета погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента к ней для обеспечения бурения скважин с минимальной энергоемкостью в породах средней и высокой крепости- - создан и опробован экспериментальный образец погружной гидравлической ударной машины, позволяющий максимально полно использовать. энергию рабочей жидкости. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на третьей международнойконференции «Проблемы механики современных машин», Улан-Удэ, 2006 г.- Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной» геосреды", Новосибирск, 2006 г., 2008 г.- Всероссийской, научной, конференции с участием иностранных ученых «Геодинамика и напряженное состояние недр Земли», Новосибирск, 2007 г.- работа диссертанта отмечена в номинации" «Лучшие аспиранты РАН 2007 года». Публикации. Потеме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе два патента РФ на изобретение. Объем и структура работы. Диссертация изложена, на 129 страницах и со- ' стоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 85 наименованийсодержит 36 рисунков, 24 таблицы. Автор благодарен своему научному руководителю член-корреспонденту РАН, д.ф.-м.н., профессору В. Н. Опарину за помощь при выполнении работы и осмыслении результатов проведенных исследований, д.т.н., профессору Б. Н. Смоляницкому за отеческую поддержку и внимание, к.т.н. А. А. Липину за научную поддержку. Отдельную благодарность хочется выразить всем сотрудникам лаборатории бурения ИГД СО PAHi ' 8.

5.2. Выводы.

1. Разработана методика расчета основных энергетических и конструктивных параметров погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента к ней, в основе которой лежат зависимости для определения рационального энергетического воздействия на породный массив, расположения породоразрушающих штырей по торцу инструмента и соотношений между основными элементами системы распределения энергоносителя .

2. Разработан проект погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом для бурения скважин диаметром 93 мм.

77Z ш т УШ/Я}//}/)/ /) л'/))) / / у / гс. н.

Б iS°a> 2IE.

Ь4&— — - ip.tjg.

Рисунок 5.2 — Чертеж общего вида погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом.

Заключение

.

В диссертации, являющейся научно-квалификационной работойизложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для экономики горной отрасли. На основе результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований дано обоснование параметров погружной гидравлической ударной машины с объемным приводом и породоразрушающего инструмента к ней, реализация которых обеспечивает минимизацию энергетических затрат при бурении.

Основные научные и практические результаты работы.

1. Установлено, что к одному из перспективных направлений развития базовой для горного дела технологии бурения скважин относится разработка погружных гидравлических ударных машин с «объемным приводом. Они легко вписываются-в подземные выработки, в том числе, малого сечения, не требуют дорогостоящего крупногабаритного бурового оборудования, обеспечивают достаточную точность направления бурения скважин. •.

2. Экспериментально доказано, что при разрушении породного материала инструментом, оснащенным инденторами со сферической' торцевой поверхностью, существует пороговое значение энергии удара, обеспечивающее-объемное разрушение геоматериала с минимальной энергоемкостью. Соответствующий пороговому значению энергии удара безразмерный энергетический критерий механического воздействия ударника на породу совпадает с энергетическим условием возникновения волн маятникового типа, и свидетельствует о том, что в зоне минимальной энергоемкости возникают геомеханические квазирезонансные явления.

3. Доказана работоспособность созданного в ИГД СО РАН экспериментального образца гидравлической ударной машины объемного типа с одной управляемой камерой в системе распределения энергоносителя и автономной системой ее питания-разрядки на всем пути движения ударника, разработано и запатентовано техническое решение, обеспечивающее повышение частоты ударов ударника и увеличение мощности машины, повышение эффективности её работы.

4. Экспериментально установлено соотношение рабочих площадей ударника со стороны камер прямого и обратного хода, площади верхнего торца клапана и площади разрядного канала, при котором гидравлическая ударная машина работает устойчиво в диапазоне давлений 0,5—4,0 МПа в напорной магистрали энергоносителя.

5. Разработана методика расчета основных параметров погружной гидравлической ударной машины и породоразрушающего инструмента для реализации оптимального по энергоемкости объемного разрушения породы.